Коммутация каналов и пакетов

Коммутация каналов

Несмотря на то что коммутация каналов заметно старше коммутации пакетов, она актуальна до сих пор. Этот принцип использовался еще в самых первых телефонных сетях. Сейчас чаще всего канальная коммутация применяется для построения высокоскоростных магистральных каналов. На заре времен коммутация каналов решала задачу, которая перед нею ставилась телефонными сетями, а точнее – связь абонентов между собой, фактически соединение “точка-точка”. В такой сети поток данных получает заранее прописанный администратором маршрут, либо этот маршрут просчитывается динамически.

Чтобы было понятнее, представим участок железной дороги между городами А и Б. Переключим стрелки на этом участке таким образом, чтобы путь между городами оказался непрерывным, то есть получилось соединение точка А – точка Б. Таким образом, мы строим (в телекоме часто говорят собираем, реже – поднимаем) канал между городами A и Б. Такой канал называется составным, поскольку состоит из нескольких простых (элементарных) каналов (неразрывные куски между железнодорожными стрелками).

 

Аналоговая АТС, один из первых случаев канальной коммутации. Некоторые работают по сей день.

Составной канал на всем своем протяжении сохраняет несколько характерных черт. Во-первых, он имеет постоянную пропускную способность. Одновременно с этим часто бывает так, что пропускная способность в каждом из направлений канала разная. Так, из точки А в Б мы можем иметь 8 Мбит/с, к примеру, а из Б в А всего лишь 2 Мбит/с. Такая ситуация довольно часто встречается в спутниковых каналах, когда каждый килобит в секунду имеет вполне конкретную увесистую цену, при этом априори известно, что загрузка в разных направлениях не будет одинаковой.

Во-вторых, составной канал обычно создается временно. После передачи данных он разбирается, как в случае с установлением звонков по классической телефонной сети – вы положили трубку, и телефонная станция оборвала ваше соединение. Также существуют составные каналы, когда каждый простой канал в определенный момент времени используется для определенного составного канала. Это называется временным мультиплексированием.

В-третьих, элементарные каналы могут быть использованы в совершенно разных составных каналах в разное время. Более того, несколько элементарных каналов одного направления могут быть объединены в один канал для получения составного канала нужной полосы пропускания. Получается, что любой канал имеет свою пропускную способность. Так повелось, что минимальный квант полосы канала — это 64 кбит/с. Данный поток оказывается необходимым и достаточным для передачи несжатого голоса с частотой дискретизации 8000 Гц. Это значение было получено в шестидесятые годы, когда по телефонным сетям начали передавать оцифрованный голос. При дискретизации в 8 кГц и кодировании каждого кванта звука при помощи одного байта (256 градаций) имеем как раз 8000 x 8 бит, то есть 64 кбит/с.

При коммутации каналов возможна ситуация, когда на каком-то участке мы исчерпали все возможные ресурсы, и свободных элементарных каналов попросту не осталось. Создать какой-то новый канал, проходящий по этому участку, не удастся. В итоге получим простой других участков сети. Для исключения подобных ситуаций созданы системы управления, которые пытаются оптимально прокладывать каналы, а также арбитры, которые разрешают ситуации с заторами.

Другой случай неоптимального использования собранного канала – минимальная или пульсирующая нагрузка (последняя, например, возникает при веб-серфинге, работе с базами данных, с e-mail и пр.).

Получается, что при передаче голоса, когда соединение установлено и идет двусторонний обмен информацией, полоса используется эффективно. В случае компьютерного трафика, когда полосу загружают разные приложения, генерирующие пульсирующий, а порой и взрывной трафик, говорить об эффективности использования полосы невозможно. Для решения задачи оптимального использования ресурсов в сетях с неоднородным трафиком и была разработана коммутация пакетов.

ECI XDM -300 – мультиплексор, обеспечивающий TDM-мультиплексирование и созданный для работы на магистральных каналах

Сети с коммутацией пакетов

В сетях с коммутацией пакетов применяются совершенно иные принципы. В таких сетях не происходит предварительной сборки канала, проверки доступности пункта назначения и наличия требуемой полосы пропускания. В этих сетях в порядке вещей, когда данные задерживаются и даже теряются. Можно подумать, что это странная эволюция, но именно пакетные сети бурно растут и применяются повсеместно благодаря тому, что в них более эффективно используются ресурсы.

Как понятно из названия, главным понятием сети с пакетной коммутацией является, собственно, пакет. Пакет – это некоторая порция данных, которая снабжена заголовком (служебной информацией, необходимой для перемещения пакета по сети от отправителя к получателю). В заголовке указан адрес назначения и часто еще немалая порция вспомогательной информации, такая как адрес отправителя, контрольная сумма для проверки целостности данных в пакете, счетчик количества пройденных пакетом узлов и многое другое.

Если продолжать транспортные параллели, то пакетные сети больше похожи на автомобильное движение, где каждое авто — это отдельный пакет. Он едет по дороге в соответствии с дорожной ситуацией и необходимым пунктом назначения. При этом чтобы картина была полной, представьте себе, что существуют группы автомобилей, которые перевозят части чего-то целого – например, башенного крана, который разобрали в одном месте, чтобы собрать в другом. Из-за различного времени выезда и разной дорожной ситуации грузовики с отдельными частями крана приедут в пункт назначения в разное время и разными путями, но если все сложится удачно и никто не потеряет груз по дороге, кран рано или поздно будет собран на новом месте.

Реализаций пакетных сетей немало. Часто пакеты имеют плавающую длину, когда регламентированы лишь крайние (минимальное и максимальное) значения возможного размера (тот же привычный нам Ethernet). Также бывают сети, в которых пакет должен иметь определенный размер независимо от полезной нагрузки в нем. Как уже было сказано, в пакетных сетях не производится резервирование линии связи и скорости передачи данных. Изначально действует предположение, что сеть готова принять трафик в любой момент.

Nortel OME 6500 – коммутаторы, обеспечивающие коммутацию каналов, точнее – временное мультиплексирование, поэтому обычно их называют мультиплексорами

При этом сам механизм работы пакетной сети не обеспечивает надежность доставки пакетов – для целей резервирования и гарантирования доставки существуют отдельные механизмы и протоколы. Но эти механизмы отличаются от тех, что используются в канальных сетях. Если в канальных сетях мы гарантируем и выделяем полосу под передачу данных, то в пакетных мы можем гарантировать полосу в случае необходимости. Если же конкуренции со стороны другого трафика нет, то используемая для передачи полоса может быть увеличена.

Если же на каком-то участке сети, напротив, слишком высока конкуренция передаваемых данных разного типа, то будет страдать и отбрасываться менее приоритетный трафик. Информация о том, какой приоритет имеет пакет и как он должен обработаться, хранится в заголовке. Такой подход позволят более эффективно использовать имеющиеся линии связи.

Одновременное использование каналов для данных, передаваемых между разными точками, также позволяет более рационально использовать ресурсы сети, когда в один момент времени мы передаем сразу несколько потоков данных, а не один, как это бывает в канальных сетях. Одним из механизмов, заметно расширяющих возможности пакетных сетей, является буферизация данных. Буферизация решает несколько задач. Первая – проверка целостности данных.

Так, коммутатор, получив и сохранив в своем буфере пакет, может проверить его целостность в соответствии с контрольной суммой, указанной в заголовке. Вторая – согласование скоростей. Функция позволяет передавать данные по каналам с разной пропускной способностью. Если на коммутатор приходят данные со скоростью, превышающей скорость линии, в которую должны уйти пакеты, коммутатор может использовать буфер для временного хранения поступающих данных. Также буфер может быть использован для хранения пакетов в том случае, если коммутатору не хватает мощности просмотреть все приходящие пакеты, просчитать контрольные суммы и обработать их в соответствии с заголовками.

 

Итак, в канальных сетях в конкретный момент мы получаем монопольное использование ресурсов независимо от того, есть в этом необходимость или нет. Одновременно с этим мы имеем гарантии пропускной способности и качества передачи. Пакетные сети без применения отдельных механизмов ничего этого не предлагают, в них, напротив, не гарантируется скорость и качество передачи данных. Тем не менее разделение ресурсов и буферизация позволяют использовать сети более эффективно.